Optimization of bone remodeling algorithm and development of innovative orthodontic treatment support system using AI technology
| Project/Area Number |
23K16188
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
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| Allocation Type | Multi-year Fund |
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| Review Section |
Basic Section 57070:Developmental dentistry-related
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| Research Institution | Nagasaki University |
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Principal Investigator |
陣内 祥男 長崎大学, 医歯薬学総合研究科(歯学系), 特任研究員 (70974335)
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| Project Period (FY) |
2023-04-01 – 2025-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2023)
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| Budget Amount *help |
¥4,680,000 (Direct Cost: ¥3,600,000、Indirect Cost: ¥1,080,000)
Fiscal Year 2024: ¥1,690,000 (Direct Cost: ¥1,300,000、Indirect Cost: ¥390,000)
Fiscal Year 2023: ¥2,990,000 (Direct Cost: ¥2,300,000、Indirect Cost: ¥690,000)
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| Keywords | 人工知能 / 最適化問題 / 歯の移動 / スライディング・メカニクス / ループ・メカニクス / AI / 歯科矯正治療支援システム |
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| Outline of Research at the Start |
本研究では、医療分野への活用が飛躍的に進んでいるAI 技術を併用し長期的な歯の移動シミュレーションを行うことにより、最適な矯正装置デザインを設定する治療効率化支援システムを構築する。このために、AI 技術を適用し、生体での実験結果とシミュレーション結果の誤差が最小となる骨改造パラメータを求め、最適化された骨改造アルゴリズムを組み込んだ長期的な歯の移動シミュレーション法を開発する必要がある。骨リモデリングのアルゴリズムを組み込んだ長期的な歯の移動シミュレーションとAI 技術を融合し、適正な荷重条件を探索することで、矯正装置デザインの自動最適化の実現を目指す。
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| Outline of Annual Research Achievements |
装置デザインとして、第一小臼歯抜歯と診断された上顎前突症例における前歯の舌側移動および空隙閉鎖時に前歯を最終目標位置まで牽引する状況を想定し、スライディング・メカニクスではパワーアーム高さと荷重ベクトルの最適な組合せ、ループ・メカニクスではループ高さとゲーブルベンド角度の最適な組合せを決定するシステムを開発した。すなわち、完成した長期的な歯の移動シミュレーションシステムを用いて、異なる２つの治療メカニクスにおける荷重条件の組み合わせを無数に変化させた場合の前歯舌側移動のシミュレーションを行った。具体的には、最適化問題を解く手法としてCMA-ESを用いて、移動後の中切歯の位置と理想目標位置の誤差の最小化を試みた。最適化を行う関数に用いるパラメータには、中切歯抵抗中心の位置と傾斜度を用いることとし、シミュレーション結果と理想位置における両パラメータの誤差が最小となる初期荷重条件（フォースシステム）の最適な組合せを決定した。また、矯正治療患者を対象に、あらかじめ最適化した初期荷重条件の組み合わせを設定し、前歯舌側移動動態を評価するための歯列模型を対象とした、高速３次元形状計測装置を用いた形状計測システムの精度の検証を行った。CMA-ESの適用に当たり、複数のプログラミング言語（C++, C♯, Fortran, CUDA C, Python, PHP, Perl, Objective-C）を用いた、最適化アルゴリズムの設計を行い、適切な近似解を得るための計算手法について検討を行った。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
CMA-ESを用いた最適化問題への適用に時間を要し、研究の進行に遅延が生じた。
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| Strategy for Future Research Activity |
矯正治療患者を対象に、あらかじめ最適化した初期荷重条件の組み合わせを設定し、前歯舌側移動を行う。空隙閉鎖前後に作製した歯列模型を対象に、高速３次元形状計測装置を用いて形状計測を行い、シミュレーション結果と治療結果における中切歯位置（移動動態）を比較することで、本法の妥当性を検証する。
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Report
(1 results)
Research Products
(1 results)
